專利名稱：一種抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱障涂層材料，具體地說，是指一種采用電子束物理氣相沉積方法在陶瓷層的表層上制備一定厚度的α氧化鋁(α-Al2O3)來提高熱障涂層的抗腐蝕性的新型熱障涂層。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，特別是在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境下，現(xiàn)有金屬材料的單獨(dú)使用已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)及使用要求。熱障涂層是二十世紀(jì)六十年代開發(fā)出來的一種表面熱防護(hù)技術(shù)，其設(shè)計(jì)思想是利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、抗腐蝕和低導(dǎo)熱等性能，以涂層的方式將陶瓷與金屬基體相復(fù)合，在提高金屬熱端部件抗高溫腐蝕能力的同時(shí)，使其能承受更高的使用溫度，并具有提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度、延長(zhǎng)熱端部件使用壽命的效果。
目前采用的熱障涂層結(jié)構(gòu)基本上為由陶瓷層與粘結(jié)層所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。其制備方法主要有電子束物理氣相沉積與等離子噴涂。陶瓷層材料主要為氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)，即YSZ。然而，由于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庵胁豢杀苊獾卮嬖谟锈C(V)、硫(S)等腐蝕性氣氛，導(dǎo)致YSZ中的氧化釔(Y2O3)被侵蝕而失去相穩(wěn)定的作用，造成氧化鋯(ZrO2)在從高溫將到室溫時(shí)發(fā)生從正方相(t’相)到單斜相(m相)的相變，體積膨脹約4％左右，發(fā)生應(yīng)力剝落失效。因此，設(shè)計(jì)新型的熱障涂層結(jié)構(gòu)，有效地控制YSZ中的氧化釔(Y2O3)不被腐蝕性氣氛侵蝕，提高熱障涂層的抗腐蝕性能，對(duì)提高熱障涂層的服役壽命是至關(guān)重要的。
α氧化鋁(α-Al2O3)在高溫下具有良好的組織與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并且α氧化鋁(α-Al2O3)對(duì)硫酸鹽和釩蝕具有較強(qiáng)的腐蝕抗力，因此，可以在陶瓷層上制備一層α氧化鋁(α-Al2O3)來改變?nèi)細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中受釩(V)、硫(S)等腐蝕性氣氛腐蝕的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種抗海洋性氣氛腐蝕的熱障涂層材料，是采用電子束物理氣相沉積方法在陶瓷層表面上制備具有一定厚度的α氧化鋁(α-Al2O3)來有效地控制作為陶瓷層的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被腐蝕性氣氛侵蝕，從而大幅度提高熱障涂層的抗腐蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命。
本發(fā)明是一種抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層，包括陶瓷層、粘結(jié)層、抗腐蝕層，陶瓷層材料為氧化釔Y2O3穩(wěn)定的氧化鋯ZrO2；粘結(jié)層材料為鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金材料，其重量百分比為18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.0％的釔和余量的鎳；抗腐蝕層材料為α氧化鋁(α-Al2O3)。
所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的制備方法，是將抗腐蝕層α氧化鋁(α-Al2O3)采用電子束物理氣相沉積法沉積于陶瓷層(YSZ)的表面上。
所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的制備方法，其抗腐蝕層α氧化鋁(α-Al3O3)沉積厚度為5～10μm。
所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層，采用連續(xù)供鹽凝聚法對(duì)抗腐蝕熱障涂層樣品進(jìn)行950℃保溫30min，空冷10min至室溫進(jìn)行往復(fù)循環(huán)的硫酸鈉鹽(Na2SO4)+氧化礬(5wt.％V2O5)熱腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗腐蝕壽命比普通雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層提高了2～4倍。
本發(fā)明抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的優(yōu)點(diǎn)(1)抗腐蝕層采用α氧化鋁(α-Al2O3)材料作為熱障涂層的外層，故提高了熱障涂層的抗高溫氧化與腐蝕性能；(2)采用成熟的電子束物理氣相沉積的方法制備涂層，其制備工藝簡(jiǎn)便，工藝可控；(3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的熱障涂層與雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比其抗腐蝕性能在950℃保溫30min，空冷10min至室溫往復(fù)循環(huán)的硫酸鈉鹽(Na2SO4)+氧化礬(5wt.％V2O5)環(huán)境中的抗腐蝕壽命提高了2～4倍。


圖1是本發(fā)明的熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是電子束物理氣相沉積設(shè)備示意圖。
圖3(a)是普通雙層熱障涂層表面形貌XRD圖片。
圖3(b)是本發(fā)明的熱障涂層表面層形貌XRD圖片。
圖4是熱循環(huán)性能檢測(cè)曲線圖。
圖5是在硫酸鈉鹽溶液中進(jìn)行熱腐蝕性能檢測(cè)曲線圖。
圖6是在硫酸鈉鹽和氧化礬(5wt.％)溶液中進(jìn)行熱腐蝕性能檢測(cè)曲線圖。
圖中1.真空室2a.第一坩堝2b.第二坩堝 2c.第三坩堝3.抗腐蝕層料棒4.粘結(jié)層料棒5.陶瓷層料棒 6.擋板7.旋轉(zhuǎn)基板架8.電子槍 9.電子槍10.基板11.粘結(jié)層 12.陶瓷層13.抗腐蝕層 14.基體
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種海洋性氣氛抗腐蝕熱障涂層，由陶瓷層、粘結(jié)層和抗腐蝕層構(gòu)成，陶瓷層材料為YSZ即氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)，粘結(jié)層材料為鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)，其重量百分比組份為18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.0％的釔和余量的鎳，抗腐蝕層材料為α氧化鋁(α-Al2O3)。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想為利用α氧化鋁(α-Al2O3)在高溫下具有良好的組織與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及對(duì)硫酸鹽和釩蝕較強(qiáng)的腐蝕抗力，在氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)陶瓷層的表層采用電子束物理氣相沉積的方法制備具有一定厚度的α氧化鋁(α-Al2O3)，從而提高熱障涂層的抗腐蝕性能。其目的是有效地控制作為陶瓷層的氧化釔(Y2O3)穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2)中的氧化釔(Y2O3)不被腐蝕性氣氛侵蝕，從而大幅度提高熱障涂層的抗腐蝕性能，提高熱障涂層的服役壽命。
在本發(fā)明中，采用電子束物理氣相沉積的方法制備具有抗腐蝕熱障涂層，其工藝流程為一、制備料棒(A)制備粘結(jié)層材料料棒按比例稱取鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金元素，熔煉溫度1400℃～1600℃，經(jīng)熔煉制得粘結(jié)層料棒；(B)制備陶瓷層材料料棒將氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(ZrO2+(6-8wt％)Y2O3)粉經(jīng)燒結(jié)制成陶瓷料棒；(C)制備抗腐蝕層材料料棒將α氧化鋁(α-Al2O3)粉經(jīng)壓制燒結(jié)成抗腐蝕層料棒。
二、采用電子束物理氣相沉積設(shè)備制備涂層(A)將上述制得的料棒分別放入電子束物理氣相沉積設(shè)備的3個(gè)坩堝內(nèi)，并將鎳基高溫合金基體安裝于基板10上；(B)抽真空至所需真空度～10-4Pa；(C)設(shè)定旋轉(zhuǎn)基板架7的旋轉(zhuǎn)速度10～20rpm；采用電子束加熱基板10至600～900℃，電子束電壓17～19kV；(D)沉積粘結(jié)層預(yù)蒸發(fā)粘結(jié)層材料料棒，并調(diào)節(jié)電子束流1.4～1.8A，料棒上升速率0.8～1.0mm/min，沉積速率1.5～2.0μm/min；拉開擋板6，蒸發(fā)沉積粘結(jié)層開始，沉積完成后取出，放入真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行真空熱處理2～6hrs，熱處理溫度1000～1100℃；
(E)沉積陶瓷層將經(jīng)(D)處理后的鎳基高溫合金基體14安裝子電子束物理氣相沉積設(shè)備的基板10上，并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)基板架7至裝有陶瓷材料的第二坩堝2b上方，調(diào)節(jié)電子束流1.4～1.8A，料棒上升速率1.2～1.6mm/min，沉積速率2.5～3.0μm/min；拉開擋板6，蒸發(fā)沉積陶瓷層開始，沉積完成后閉合擋板6；(F)沉積抗腐蝕層將經(jīng)(E)處理后的鎳基高溫合金基體14安裝于電子束物理氣相沉積設(shè)備的基板10上，并調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)基板架7至裝有α氧化鋁陶瓷材料的坩堝2c上方，調(diào)節(jié)電子束流0.6～0.8A，料棒上升速率0.5～0.9mm/min，沉積速率0.5～1.0μm/min；拉開擋板6，蒸發(fā)沉積α氧化鋁陶瓷層開始，沉積完成后取出，即抗腐蝕熱障涂層制備完成。
采用電子束物理氣相沉積方法制備了具有粘結(jié)層、陶瓷層和抗腐蝕層的熱障涂層(結(jié)構(gòu)如圖1所示，表面形貌如圖3(b)所示)。具體制備工藝如下粘結(jié)層11鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)按重量百分比組份為49.3％的鎳，20％的鈷、22％的鉻、8％的鋁、0.7％的釔，經(jīng)真空感應(yīng)熔煉后制成直徑70mm、長(zhǎng)200mm的合金料棒；陶瓷層12將氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯經(jīng)燒結(jié)制成直徑70mm，長(zhǎng)200mm的料棒；抗腐蝕層13將α氧化鋁(α-Al2O3)粉經(jīng)壓制燒結(jié)成直徑70mm，長(zhǎng)100mm的料棒。
基體14為鎳(Ni)基高溫合金。
在真空度為5×10-4Pa，基板10旋轉(zhuǎn)速度為15rpm，基板10溫度750℃；合金料棒上升速率為0.8mm/min、電子束電流為1.6A蒸發(fā)厚度約為50μm的粘結(jié)層11；以陶瓷料棒上升速率為1.4mm/min、電子束電流為1.5A蒸發(fā)沉積厚度約為150μm的陶瓷層12；以α氧化鋁料棒上升速率為0.6mm/min、電子束電流為0.7A蒸發(fā)沉積厚度約為10μm的α氧化鋁層13。
在本發(fā)明中，為了測(cè)試抗腐蝕層13的耐腐蝕性能，采用在相同條件的制備過程中制作三種不同厚度5μm、10μm、20μm的抗腐蝕層進(jìn)行了循環(huán)氧化增重、抗熱腐蝕等性能的測(cè)試。
對(duì)上述三種不同厚度的抗腐蝕熱障涂層進(jìn)行熱腐蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于沒有硫酸鹽和釩的環(huán)境，雙層熱障涂層與涂敷有5μm α-Al2O3的熱障涂層循環(huán)200小時(shí)均沒有失效，而涂覆有10μm α-Al2O3的熱障涂層在120小時(shí)即開始失效；在有腐蝕的環(huán)境中雙層熱障涂層壽命約為30次，涂覆有10μm α-Al2O3的熱障涂層壽命約為60次，而涂覆有5μm α-Al2O3的熱障涂層壽命約為120次。這說明通過涂覆5μm α-Al2O3陶瓷層在不影響其原始?jí)勖那闆r下，大大提高了熱障涂層的抗腐蝕性能。故在普通雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層的陶瓷層上采用電子束物理氣相沉積方法鍍抗腐蝕層α-Al2O3的厚度應(yīng)小于等于10μm。
熱循環(huán)性能檢測(cè)對(duì)傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層與本發(fā)明抗熱腐蝕熱障涂層按如下方式進(jìn)行熱循環(huán)將試樣在1100℃空氣中加熱30min，然后在強(qiáng)制吹冷5min至室溫進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，記錄失效時(shí)循環(huán)次數(shù)和重量變化，試樣選用的抗熱腐蝕層13厚度為5μm、20μm，采用自動(dòng)高低溫?zé)嵫h(huán)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖4所示表面涂覆5μm厚α氧化鋁層的抗熱腐蝕性熱障涂層的抗熱循環(huán)性能與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比較基本上不發(fā)生變化。表面涂覆20μm厚α氧化鋁層的抗熱腐蝕性熱障涂層的抗熱循環(huán)性能與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比較，在循環(huán)500小時(shí)后本發(fā)明的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層開始發(fā)生剝落現(xiàn)象。
抗熱沖擊性能采用抗腐蝕層13厚度為5μm、20μm的本發(fā)明的抗腐蝕熱障涂層試樣進(jìn)行熱沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為1100℃加熱15分鐘，然后迅速放入冷水中冷卻，記錄剝落時(shí)熱循環(huán)次數(shù)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 抗熱沖擊性能測(cè)試表

說明涂覆α氧化鋁層的抗熱腐蝕性熱障涂層的抗熱沖擊性能與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比較略有增加。
熱腐蝕性能檢測(cè)(1)采用連續(xù)供鹽凝聚法，對(duì)上述三種樣品進(jìn)行硫酸鈉鹽(Na2SO4)熱腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為950℃保溫30min，空冷10min至室溫進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，記錄失效時(shí)循環(huán)次數(shù)和重量變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，α氧化鋁層厚度小于10μm時(shí)，新型抗熱腐蝕熱障涂層的抗硫酸鈉鹽(Na2SO4)熱腐蝕循環(huán)性能與傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層相比較基本上保持不變。
熱腐蝕性能檢測(cè)(2)采用連續(xù)供鹽凝聚法，對(duì)上述三種樣品進(jìn)行硫酸鈉鹽(Na2SO4)+氧化礬(5wt.％V2O5)熱腐蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為950℃保溫30min，空冷10min至室溫進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，記錄失效時(shí)循環(huán)次數(shù)和重量變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層在循環(huán)不到40小時(shí)已經(jīng)開始失效，而本發(fā)明的抗腐蝕熱障涂層在大于120小時(shí)后才略有剝落，抗腐蝕壽命提高3倍以上。
權(quán)利要求
1.一種抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層，包括陶瓷層、粘結(jié)層，陶瓷層材料為氧化釔Y2O3穩(wěn)定的氧化鋯ZrO2；粘結(jié)層材料為鎳鈷鉻鋁釔(Ni，Co，Cr，Al，Y)合金材料，其重量百分比為18～22％的鈷、19～25％的鉻、6～8％的鋁、0.07～1.0％的釔和余量的鎳，其特征在于還包括抗腐蝕層，抗腐蝕層材料為α氧化鋁(α-Al2O3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的抗腐蝕層α氧化鋁(α-Al2O3)是采用電子束物理氣相沉積法沉積于陶瓷層(YSZ)的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層的制備方法，其特征在于所述的抗腐蝕層α氧化鋁(α-Al2O3)沉積厚度為5～10μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層，其特征在于采用連續(xù)供鹽凝聚法對(duì)抗腐蝕熱障涂層樣品進(jìn)行950℃保溫30min，空冷10min至室溫進(jìn)行往復(fù)循環(huán)的硫酸鈉鹽(Na2SO4)+氧化礬(5wt.％V2O5)熱腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，抗腐蝕壽命比普通雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層提高了2～4倍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗海洋性氣氛腐蝕熱障涂層，是采用電子束物理氣相沉積的方法在陶瓷層的表層上制備α氧化鋁(α－Al
文檔編號(hào)C23C28/00GK1635178SQ200410101398
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月21日
發(fā)明者宮聲凱, 劉曉, 徐惠彬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)